光学元件等离子清洗原理-plasma cleaning

为了实现光学元件表面污染物的无损去除,国内外学者研究了光学元器件表面污染物的清洗技术。目前,光学元件清洗的形式可以分为湿法清洗及干法清洗,湿法清洗技术是实现光学元件污染物去除的常用方法,但是湿法清洗存在一些缺陷,且无法实现在线清洗,后续提出一系列干法清洗技术。

湿法清洗

湿法清洗在硅基材料上有广泛的应用,且光学元件最初的清洗方式便是湿法清洗。湿法清洗一般需要液体的参与。常用的湿法清洗方法有:浸泡清洗、蒸汽清洗及超声清洗等。

干法清洗

干法清洗方式近年来得到了快速发展,并且该方法不需要液体参与,可以精确控制清洗位置,并且清洗后不会在清洗表面引入杂质,可以反复对表面清洗。干法清洗广泛应用在各种表面清洗,主要包括:激光清洗、紫外线/臭氧清洁以及等离子清洗等。

等离子清洗原理

等离子体是物质的第四态,广泛存在于自然界中,是宇宙的基本组成物质,如图1(a)所示。等离子体的产生是通过外界能量的持续注入,诱导气体分子中的原子相互解离,导致原子中的电子摆脱质子的束缚,最终形成等离子体,如图1(b)所示。

图1 等离子体的分布和产生

等离子体清洗机制是以化学反应为主,物理作用促进化学反应的进行。等离子体清洗过程主要是分为两阶段:第一阶段是等离子体中产生的真空紫外线能率先破坏表面有机污染物的大多数有机化学键(C-H、C-C、C=C、C-O和C-N)。第二阶段是由等离子体中产生的反应氧基团(O2+、O2-、O3、O、O+、O-、电离臭氧、亚稳态激发氧)和自由电子与有机污染物发生化学反应形成H2O、CO、CO2等小分子化合物。由于等离子体清洗所生成的小分子基团悬浮在环境中,在清洗过程中被不断地从真空腔室中抽出,去除的有机污染物不会残留在装置中产生二次污染,从而获得洁净表面,如图2(a)所示。

图2 等离子体与污染物的相互作用过程

传统的有机污染物去除手段,如紫外线清洗、二氧化碳雪清洗、激光清洗,一般具有清洗效率低、过程不可控、对光学元件产生损伤等缺点。而等离子体清洗技术作为一种大面积、高效、可控的污染物去除手段弥补了传统清洗污染物技术的不足,是光学元件洁净的潜在工具之一。等离子体在去除光学元件表面有机污染物的同时对光学元件表面进行了改性,环境中水蒸汽分子在改性后的光学元件表面形成超亲水表面,降低了激光辐照时的散射,有效地抑制了水污染,增加了光学元件的环境适应性。